Konstrukcja głowicy optoelektronicznej z wymiennymi strukturami

I Konferencja
„Innowacyjne technologie wielofunkcyjnych materiałów
i struktur dla nanoelektroniki, fotoniki, spintroniki i technik
sensorowych”
InTechFun
9 kwietnia 2010 r., Warszawa
POIG.01.03.01-00-159/08
Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej
InTechFun
Pakiet zadaniowy: PZ5. Aplikacje
Lider: WAT
Partnerzy: PW, PŚl, ITE
Czas trwania: M1 – M60
I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa
Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej
PZ5 Cele
• Wykonanie przykładów aplikacji będących bezpośrednio osiągalnych
poprzez opracowanie w ramach Projektu nowych: materiałów (PZ1),
technologii (PZ2) i demonstratorów przyrządów (PZ4).
Tytuł zadania
Lider
Czas
trwania
Z5.1
Wykonanie i weryfikacja parametrów funkcjonalnych sensora gazów
toksycznych opartego na zjawisku fotonapięcia powierzchniowego
J. Szuber (PŚl)
M43 – M60
Z5.2
Wykonanie wieloparametrycznego klasyfikatora właściwości użytkowych
biopaliw ciekłych
M. Borecki (PW)
M1 – M60
I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa
Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej
Z5.2 Cele
• Wykonanie i weryfikacja wieloparametrycznego klasyfikatora
właściwości użytkowych biopaliw ciekłych charakteryzującego się
wymienną głowicą oraz niskim czasem i kosztem jednostkowej
klasyfikacji
Pierwsze 9 miesięcy:
1.
Opracowano założenia dla integracji hybrydowej głowicy zapewniające:
1.
ralizację sprzężenia wymiennej kapilary będącej światłowodowym podzespołem
próbkującym
2.
Pozycjonowanie kapilary nad mikro-grzejnikiem strefowym oraz układami źródła
optycznego i detekcji.
2.
Wykonano pierwszą serię struktur kapilarnych przeznaczonych do pracy jako wymienne
optrody.
3.
Wykonano pierwszą serię struktur grzejników hybrydowych.
I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa
Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej
Z5.2 Podstawy nowej wieloparametrycznej metody klasyfikacji właściwości
użytkowych biopaliw
OD
ID
A:
źródło
światła
nc=1.441
Pokrycie (okno)
nt=1.459
ściana (szkło)
nl<nt
otwór z bąblem
T
L - mętność
cieczą
nb
źródło
światła
B:
nc=1.441
pokrycie
nt
ściana
otwór z cieczą
przezroczystą nl<nt bąbel
przełączanie
strumienia
z otworu
do ściany
zmiana
kształtu wiązki
I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa
Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej
Z5.2 Podstawy nowej wieloparametrycznej metody klasyfikacji właściwości
użytkowych biopaliw
Parametr
Ciecz
DIW
IPA (77.5%) +
EG
DIW (22.5%)
Współczynnik załamania
1.333
1.376
1.432
Punkt wrzenia [°C]
100
82.3
197.3
Ciśnienie par własnych w 20°C [Pa]
2.4·103
4.4·103
8
Ciśnienie par własnych w 100°C [Pa]
1.0·105
2.0·105
1.4·103
Ciśnienie par własnych w 200°C [Pa]
1.8·106
2.3·106
1.1·105
Lepkość [Pa⋅s]
0.89·103
2.07·103
16·103
Napięcie powierzchniowe [N/m]
0.0731
0.0228
0.0477
Opracowanie i badanie metody realizowane jest w ramach grantu własnego MNiSW: Nowa metoda optoelektroniczna inteligentnej
klasyfikacji właściwości użytkowych biopaliw ciekłych z wykorzystaniem kapilar optycznych. Dalej przedstawione wyniki
prowadzonych prac dotyczą wyłącznie projektu InTechFun.
I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa
Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej
Z5.2 Układ klasyfikatora biopaliw ciekłych – wersja aktualnie badana i realizowana
wymienna optroda
kapilarna
łoże głowicy
grzejnik hybrydowy
Foto
dioda
VIS
światłowodowy
aktywny konwerter UV-VIS
LED
UV
+
Foto
dioda UV
sterownik źródła
światła
stabilizator
temperatury
obszar
generowania
bąbla
- prąd grzejnika
- temperatura
- ON/OFF sygnał
jednostka archiwizacji
danych - PC
opto-el.
interfejs
inteligentna jednostka
sterownia i detekcji
USB
- sygnał
U ÷ Popt
- wzmocnienie
- ON/OFF
Zagadnienia dotyczące wytwarzania konwerterów promieniowania nazywanych także fosforami są
przedmiotem licznych studiów i dotyczą przetwarzania z zakresu 200÷480nm na 500÷700nm lub długości
~480nm na inną wybraną długość np.: 570, 650nm.
Do badań zamówiono fosfor typu BYW01A/PTCW01AN, przetwarzający promieniowanie o długości
450÷470nm na długość 562÷576 z FWHM wynoszącym 112nm.
I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa
Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej
Z5.2 Idea konstrukcji głowicy czujnika z optyczną, wymienną kapilarą pomiarową
[zgłoszenie patentowe RP, przez PW dla projektu InTechFun]
kapilara pomiarowa
- zewnętrzna
układ
przetwornika
UV->VIS
przezroczyste
zamknięcie
fotod
odetektor VIS
obszar lokanego
grzania
VIS
kapilara przetwornika
- wewnętrzna
warstwa przetwornika UV->VIS
LED (UV)
eliminator promieniowania
propagującego się w ścianach
warstwa mocująca
Do eliminacji promieniowania prowadzonego ścianą kapilary zastosowano warstwę z żywicy epoksydowej
zmieszanej z pastę srebrną. Korek zamykający kapilarę formowano z kropli przezroczystego żelu
cyjanoakrylowego. Dla opracowanej konstrukcji niezbędne okazało się opracowanie dedykowanej metody
prowadzenia pomiaru. Na aktualnym etapie prac zlecono WSK II PZL Warszawa zaprojektowanie i
wykonanie łoża mikromechanicznego, według uzgodnionej specyfikacji.
I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa
Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej
Z5.2 Prototypowanie optrody kapilarnej
łoże głowicy
wymienna optroda
kapilarna
grzejnik hybrydowy
światłowód
fotodioda
grubordzeniowy
obszar
generowania
bąbla
- prąd grzejnika
światłowód
wielomodowy
Zasilacz
laserowy
- ON/OFF sygnał
układ sterownia
- poziom
sygnału
miernik
mocy
PM300
W przypadku zasilania optycznego kapilary pomiarowej z telekomunikacyjnego światłowodu
wielomodowego typu MM625 dołączonego do źródła S1FC675 o mocy 2mW, poziom mocy we włóknie
odbiorczym wynosił dla wypełnionej wodą kapilary 2mW a dla kapilary pustej 350nW. Dla kapilary
wypełnionej paliwem EuroSuper firmy Shell zmiana sygnału wynosiła z 2mW do 400nW po wytworzeniu
bąbla par własnych. Przeprowadzone doświadczenie dowodzi prawidłowości wykonania konstrukcji optrody
ze strony odbiorczej.
I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa
Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej
Z5.2 Prototypowanie optrody kapilarnej
łoże głowicy
wymienna optroda
kapilarna
grzejnik hybrydowy
światłowodowy
aktywny konwerter UV-VIS
LED
UV
światłowód
fotodioda
obszar
generowania
bąbla
- prąd grzejnika
sterownik
- ON/OFF sygnał
układ sterownia
- poziom
sygnału
miernik
mocy
PM300
W wykonanym wstępnym modelu optrody pomiędzy kapilary wprowadzono pasek polimeru z luminoforem
o wymiarach 6.0*0.8*0.4mm. Wykorzystano luminofor pozyskany z tzw. białych LED ASMT-MY09NLM00 firmy AVAGO Technologies. Przetwornik oświetlano z diody LED o mocy 36mW. W przypadku
wprowadzania włókna odbiorczego PCS 400/600 do kapilary sygnał tła wynosił 2nW a w przypadku
pozycjonowania włókna na zewnątrz tło wzrastało do około 100nW. Moc odbierana sygnału dla zasilania
przetwornika z diody we włóknie odbiorczym po odjęciu sygnału tła wynosiła 140nW. Oznacza to
konieczność wykonania specjalistycznych układów przetwarzania sygnału, które to zadanie jest zawarte w
projekcie.
I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa
Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej
Z5.2 Analiza układów odbiorników promieniowania optycznego OPT101
I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa
Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej
Z5.2 Analiza układów odbiorników promieniowania optycznego OPT101
I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa
Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej
Z5.2 Analiza warunków termodynamicznych
kapilara
T1
50mm
łoże
kapilary
10mm
35mm
moduł chłodzący
moc 24W
przekrywanie
warstw
warstwa
przewodząca
warstwa rezystywna
1mm
2mm
20mm
połączenia
lutowane
T2
2mm 3mm
podstawa
głowicy
150mm
Kapilarę podgrzewano lokalnie planarnym grzejnikiem grubowarstwowym o rezystancji równej 174 omów.
Moc wydzielona w grzejniku wynosiła 3W. Kapilarę pozycjonowano w V-rowkach, w metalowym łożu o
średnicy 50mm na wysokości 100mm nad grzejnikiem umieszczonym w wyfrezowanym otworze. Łoże
miało grubość 4mm i było przymocowano do podstawy o wymiarach 60mm*150mm*3mm wykonanej z
duraluminium. Do łoża i podstawy przymocowano czujniki temperatury typu LM335DT oraz moduł
chłodzący typu DA-024-12-02 o mocy 24W.
I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa
Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej
Z5.2 Analiza warunków termodynamicznych
W algorytmie stabilizacji temperatury uwzględniono 3 sekundowe opóźnienie reakcji na zmiany temperatury
i 1°C szerokość pętli histerezy stabilizowanej temperatury. W celu zbadania możliwości stabilizacji
temperatury podłoża czujnik T1 wykorzystano do realizacji sterowania proporcjonalnego a temperaturę łoża
kapilary podczas cyklu grzania i chłodzenia odczytywano z czujnika T2.
Czas powstawania bąbla par dla losowo zmienianych warunków ruchu powietrza tj: otwierania okna i lub
oddychania w odległości 20cm od kapilary
Czas
powstawania
bąbla [s]
2.3
Moc
2.8
grzejnika 3.3
[W]
3.9
16
15
10
8
7
Temperatura podstawy [°C]
18
20
22
24
15
10
8
7
11
5
4*
7
13
12
7
3*
13
10
9
7**
W tabeli 4 w pozycji oznaczonej * nie było ruchu powietrza nad głowicą, a w pozycji ** ruch powietrza był
wywołany przez otwarte okno i oddychanie eksperymentatora.
Po przesłonięciu głowicy przed pomiarem naczyniem o kształcie walca o średnicy 80mm i wysokości 5cm
wykonanym z pleksi nie występowały zaburzenia w stosunku do oczekiwanych wyników tj. razem ze
wzrostem temperatury podstawy i mocy grzejnika czas powstawania bąbla malał monotonicznie.
I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa
Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej
Z5.2 Wnioski, Plany / Kamienie milowe
1.
2.
3.
4.
5.
Zaproponowane rozwiązania konstrukcyjne realizowane są zgodnie z harmonogramem.
Opracowano oryginalne rozwiązania konstrukcyjne.
Uzyskane wyniki wskazują, że klasyfikatora biopaliw z wymienną optrodą kapilarną jest
możliwy do realizacji, a zadania do wykonania są ciekawe i nowatorskie.
Na obecnym etapie projektowane są: grzejnik hybrydowy z bezpośrednio osadzonym
czujnikiem temperatury i zabezpieczenie głowicy przed wpływem ruchu powietrza.
Właściwie oceniono czas realizacji klasyfikatora.
Pierwsze wyniki cząstkowe i kamień milowy oczekiwane są zgodnie z harmonogramem
za 15 miesięcy i powinny zostać osiągnięte.
D5.1 Seria bazowych struktur hybrydowych głowicy: M24
D5.2 Seria struktur światłowodowych konwertujących promieniowanie: M24
I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa
Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej
I Konferencja
„Innowacyjne technologie wielofunkcyjnych materiałów i struktur dla nanoelektroniki,
fotoniki, spintroniki i technik sensorowych”
InTechFun
POIG.01.03.01-00-159/08
Współfinansowana przez Unię Europejską z
Europejskiego Funduszu Rozwoju
Regionalnego
Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej
9 kwietnia 2010 r., Warszawa